集成化的模块化多电平换流器功率模块设计与研制

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)由于模块化的设计使其能够方便的应用于各种高电压场合,并且能够在较低开关频率下输出正弦度很高的电压波形。本文以1000V/90k VA MMC型换流器的功率子模块研制为研究核心,围绕该换流器中子模块一次电路主要元件参数选择、控制系统设计开展相关研究工作,研制了由4个子模块构成的集成化功率模块;通过子模块控制系统功能验证、功率模块的功率脉冲和带载实验,证明本文所研制的功率模块达到设计预期,能够正常、可靠、稳定工作。     

柔性直流输电系统的功率模块涡流损耗及其温升分析北大核心CSCD

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电在电力传输领域有着广阔的应用前景,而主回路母线的大电流会在功率模块的铁磁框架中产生涡流损耗,导致不必要的温升。因此文中针对柔性直流输电换流阀的功率模块建立电磁模型,对其进行电磁—热耦合仿真分析,得出了涡流损耗和温度的分布特征。根据仿真结果及相关分析,提出了3种改进温升问题的方法,对功率模块设计具有一定的指导意义。最后通过实验验证了仿真结果的真实性和改进方案的有效性,为今后功率模块的设计制造和模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的运行管理提供参考依据。     

模块化多电平换流阀模块级等效运行试验研究

模块化多电平换流器(MMC)通过标准功率模块(SM)的串联实现高压大容量化,且避免了器件的直接串联,降低了制造难度,具有开关频率低、效率高、输出特性好、可扩展性强等优点,己成为当前柔性直流输电系统中换流阀的首选方案.MMC因其大功率、高电压、强电流的特点,导致在试验环境中很难构建与实际工程相同的全载电路进行试验.因此,设计适当、有效的试验方法和装置来获得能代表实际运行条件的关键应力显得尤为重要.这里首先分析了MMC系统功率模块试验电路的工作原理,然后提出了一种主动充电策略及功率对推控制策略,最后在此基础上对某工程上的功率模块进行了充电试验和功率对推试验.该试验电路简单易行,能模拟MMC功率模块实际运行中的电压、电流和温度应力,特别适合模块样机研制阶段对单模块进行测试.     

MMC不完整运行方式的有功功率传输研究

针对柔性直流输电(voltage source converter–high voltage direct current,VSC-HVDC)模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)桥臂发生故障停运和不完整运行工况下无法传输有功功率的问题,首先介绍MMC不完整运行无功传输原理;然后,分析MMC不完整运行方式有功功率传输的可能性;进而提出MMC不完整运行方式的有功功率传输控制方法,并研究不完整运行方式下的组合种类、功率运行区间和有功功率波动特性,归纳MMC不完整运行有功功率传输条件;最后,在MATLAB软件平台中搭建柔性直流系统模型,验证了所提出的不完整运行有功功率传输策略的正确性。     

大功率IGBT并联功率模块的设计

在模块化多电平换流器(MMC)中应用最多的开关器件是绝缘栅双极型晶体管(IGBT),随着电力电子技术应用的发展,有时单个IGBT不能满足当前大容量变流器的需求,采用IGBT并联技术来满足系统对电流的要求是一个既经济又安全的选择。此处介绍了采用IGBT并联技术的H桥功率模块在设计中的重点关注问题及其解决方案,以满足IGBT模块并联后的均流特性,也为其他大功率电力电子换流器的设计应用提供一些参考思路。     

鲁西背靠背柔性直流广西侧功率模块过压跳闸分析研究

鲁西背靠背柔性直流系统采用三相桥式全控整流/逆变电路,换流器基于模块化多电平 (MMC)拓扑结构, 由多个功率模块串联而成,而功率模块的过压故障会严重影响柔性直流系统的可靠运行。文章对一起功率模块过压故障跳闸事件进行深入分析,找到了功率模块过压保护异常动作的原因,总结了功率模块过电压保护的必要性,对柔性直流输电的安全稳定运行具有重要的现实意义。     

基于观测器的MMC功率模块故障诊断方法

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)功率模块故障问题,采用标称模型观测器进行故障检测与隔离。对功率模块每一种可能的结构性故障构造一个故障模式观测器,对每一个可能发生故障的参数构造一个自适应观测器。通过观察功率模块各个观测器的残差曲线,将发生的故障隔离出来,同时也实现了故障辨识。根据功率模块电容器电容值变化故障的特点,采用李雅普诺夫方法设计自适应观测器,保证状态-参数联合估计的收敛性。采用功率模块硬件电路对所提方法进行实验研究,验证此方法用于功率模块故障诊断的有效性。     

MMC主动预充电策略研究

模块化多电平换流器(MMC)子模块依靠不控充电无法达到正常运行时的额定电压,在换流器解锁瞬间可能产生很大的冲击电流损坏功率器件,因此在解锁前需要将子模块电容电压充到额定值附近。此处分析了MMC启动时充电原理,提出了一种在子模块不控充电后利用交流侧电源进行主动预充电的方法。仿真结果表明,该方法显著减小了换流器启动冲击电流。     

模块化多电平换流器功率模块电容对换流器调制度的影响

目前,国内外对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的运行特性的研究主要集中在换流器环流产生机理及其抑制、换流器输出电压及电流谐波特性等方面的分析,未对换流器功率模块电容对换流器调制度的影响进行过多研究。文中从换流器的基本原理出发,详细分析了功率模块电容对换流器调制度的影响,分析表明换流器桥臂中的n次谐波电流会在功率模块电容上产生n-1、n、n+1次电流谐波,进而在功率模块电容上产生n-1、n、n+1次电压波动,并通过开关函数的耦合作用使换流器的输出电压中包含n-2、n-1、n、n+1、n+2次电压谐波,换流器桥臂中的直流电流分量、基波电流分量及2次环流均会通过功率模块电容的影响在换流器的输出电压中产生基波电压分量。在PSCAD/EMTDC中搭建了云南异步联网鲁西柔性直流单元仿真模型,通过对该模型进行仿真研究,验证了文中推导及分析的正确性。     

模块化多电平换流器功率模块过压保护策略及优化

阐述了模块化多电平换流器(MMC)功率模块IGBT不同封装方式及失效机理,分析了功率模块在故障前后及旁路开关闭合前后的工作原理。阐述了不同IGBT封装方式的MMC功率模块过压保护工作原理,针对焊接式IGBT功率模块过压保护策略存在电压测量过程中采样异常导致换流器跳闸的风险,对功率模块过压保护策略提出优化设计。优化策略在功率模块控制板卡中实现,程序资源占用量小且易于实现,有效避免了高层级控制设备误判误动作的风险。此外,提出了过电压判据以避免系统过压时误旁路功率模块。通过仿真验证了文中所提优化策略的有效性和可行性,所提出的优化策略已在某一实际工程中应用。